高羊茅抗旱分子機(jī)制研究進(jìn)展

陳 錫，陳 瑩，劉曉霞，舒健虹，袁暘暘，王小利

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006)

干旱已經(jīng)成為逆境因素的科學(xué)研究熱點之一，是一個嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的世界性問題，干旱這些年嚴(yán)重導(dǎo)致農(nóng)業(yè)作物減產(chǎn)，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。生物脅迫中的病蟲害破壞對農(nóng)作物影響很大，但干旱對農(nóng)作物的破壞高于病蟲害。干旱脅迫影響了植物生長發(fā)育速率，引起抗氧化活性氧損傷，抑制了氣孔開度，改變光合生理化學(xué)過程等，導(dǎo)致糧食作物的產(chǎn)量減少[1]。我國的干旱、半干旱地區(qū)面積相對較大，約占國土總面積的1/2。近年來，我國部分地區(qū)嚴(yán)重性干旱已影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)水平。因此，發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)、培育耐旱作物新品種是緩解干旱脅迫的有效途徑。

多年生高羊茅(Fescuearundinacea)原產(chǎn)于歐洲，是重要的冷季型草坪草，分布在我國新疆、東北中部濕潤地區(qū)。高羊茅是容易建坪、四季常綠、抗旱、耐鹽的長日照植物。其又屬于最抗旱的冷季型草，這可能與高羊茅較深的根系和較高的水分利用有關(guān)[2]。在夏季高羊茅易遭受高溫干旱脅迫造成產(chǎn)量減少、草地質(zhì)量降低。因此，高羊茅的抗旱性研究對制定抗旱技術(shù)措施、選育抗旱品種等有重要意義。高羊茅基因組龐大，信息量少，屬于六倍體植株。其傳統(tǒng)的育種方式周期長、效率低，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)需要。近年來，隨著分子遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和基因表達(dá)調(diào)控的深入研究，利用基因克隆技術(shù)等基因工程手段導(dǎo)入植物基因組，即可獲得高抗旱性的新品種，改變了傳統(tǒng)育種模式的弊端，給新品種選育帶來新契機(jī)，高羊茅抗旱分子機(jī)制的研究得到提高。通過分析近幾年高羊茅抗旱分子機(jī)制中的關(guān)鍵基因，綜述了高羊茅的研究進(jìn)展，以期為高羊茅的應(yīng)用提供參考。

1 高羊茅抗旱生理機(jī)制

植物可以通過調(diào)節(jié)自身的防御系統(tǒng)抵御干旱脅迫，包括形態(tài)、氨基酸、生理生化指標(biāo)(氨基酸和抗氧化防護(hù)酶)、激素、甲基化和去甲基化、關(guān)鍵基因的調(diào)控等。為了解高羊茅的抗旱生理機(jī)制，研究者通過高羊茅形態(tài)指標(biāo)、生理生化指標(biāo)、光合相關(guān)指標(biāo)等分析了高羊茅抗旱生理特性。

湯章城等[3]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下植物的脯氨酸占游離氨基酸的比例加大，從而抑制植物的蒸騰作用，氣孔開度下降，減少了水分的消耗，增加植物生存率。脫落酸被認(rèn)為是植物的逆境激素[4]，其具有調(diào)節(jié)氣孔開關(guān)功能，干旱后土壤含水量下降，根系中的ABA大量合成并運(yùn)輸?shù)降厣喜浚瑥亩档驼羯⒙蔥5-6]。而高羊茅是冷季型草坪草中最抗旱的草種之一，但高羊茅能夠保持較高的蒸散率，而非抑制蒸散率[7]。草坪草的細(xì)胞質(zhì)膜透性可以衡量其抗旱能力[8]，胡果生等[9]研究不同冷季型草坪草的電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，不同屬草坪草的蒸騰速率、抗旱性存在顯著差異，羊茅草屬的抗旱性最強(qiáng)，翦股穎屬最弱，早熟禾屬和黑麥草屬抗旱性介于羊茅屬和剪股穎屬之間。經(jīng)干旱脅迫后高羊茅和鈍葉草(Stenotaphrumsecundatum)根系的質(zhì)膜透性和MDA含量有不同程度的升高，但抗氧化酶活性均呈前期升高，后期下降的趨勢；高羊茅的抗氧化酶活性比鈍葉草升高得快且早，因此抗氧化酶活性與草坪草的不同抗旱機(jī)制存在密切關(guān)系[10]。

2 高羊茅抗旱分子機(jī)制

根據(jù)一些模式植物的基因組及高羊茅轉(zhuǎn)錄組學(xué)，結(jié)合分子生物技術(shù)手段，目前已經(jīng)挖掘并分離克隆出一些高羊茅抗旱相關(guān)基因并對其功能進(jìn)行研究，這為高羊茅抗旱分子機(jī)制研究奠定了一些基礎(chǔ)。

高羊茅基因組龐大，與其他二倍體植物及模式植物相比，抗旱分子機(jī)制研究相對較晚，干旱嚴(yán)重影響草質(zhì)量與價值，目前關(guān)于高羊茅的研究陸續(xù)開展。如蔗糖：果聚糖-6-果糖基轉(zhuǎn)移酶(sucrose:fructan 6-fructosyl-transferase, 6-SFT)是禾本科植物中果聚糖合成的關(guān)鍵酶，在植物抵御干旱、低溫、鹽脅及氮脅等非生物逆境脅迫中起著十分重要的作用。果聚糖是果糖的多聚分子，其高可溶性能調(diào)節(jié)植物的滲透能力，果聚糖積累與被子植物的耐旱和耐寒性關(guān)系密切。張慧等[11]將果聚糖轉(zhuǎn)移酶基因?qū)霟煵荩苓x出抗卡那霉素篩的芽，其能在1%NaCl的MS培養(yǎng)基上正常生長，表明果聚糖轉(zhuǎn)移酶基因能增強(qiáng)煙草的耐受性。陳錫等[12]將高羊茅進(jìn)行干旱處理后果聚糖轉(zhuǎn)移酶基因的表達(dá)量上升。

SRP蛋白是一個響應(yīng)脅迫相關(guān)的重要蛋白，通過干旱、高溫及其他逆境脅處理時擬南芥表達(dá)量顯著上調(diào)[13]。橡膠SRP基因的表達(dá)水平與橡膠樹的抗逆性高度相關(guān)[14]。于二汝等[15]對高羊茅的SRP基因研究，發(fā)現(xiàn)該基因受干旱脅迫后表達(dá)量上調(diào)。隨著抗旱基因的不斷分離克隆，一些抗旱相關(guān)基因的功能被陸續(xù)揭露。隨著當(dāng)今環(huán)境的變化多端，干旱程度已經(jīng)超越了高羊茅的耐旱限度。所以通過基因工程手段來研究高羊茅的抗旱性是可行的，可以構(gòu)建過表達(dá)載體遺傳轉(zhuǎn)化高羊茅，或通過基因敲除或者RNA干擾技術(shù)對高羊茅抗旱基因及抗旱性能進(jìn)行深入的研究，以提高高羊茅的生產(chǎn)及應(yīng)用價值，同時，也為今后高羊茅的抗旱研究提供基礎(chǔ)資料。

3 展望

高羊茅植物的抗旱性強(qiáng)，目前已分離克隆了較多的高羊茅抗旱相關(guān)基因，并分析了其逆境脅迫環(huán)境下表達(dá)調(diào)控。并通過基因工程手段構(gòu)建表達(dá)載體，讓抗旱相關(guān)基因在高羊茅植株中過量表達(dá)，可以顯著提高植物的抗旱能力，獲得抗旱性轉(zhuǎn)基因高羊茅，研究其功能性狀。

植物的抗旱參與基因繁多，抗旱系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。為從根本上提高作物的抗旱性，需要利用基因分析、基因網(wǎng)絡(luò)、基因表達(dá)調(diào)控、基因組等手段，并需要同時分析耐熱、抗病等其他抗性性狀，系統(tǒng)地對干旱傷害和作物抗旱機(jī)理進(jìn)行更深入的解析。